KR20200072862A - Method for manufacturing negative electrode active material for rechargeable lithium battery, and rechargeable lithium battery including the same - Google Patents

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조문규
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Abstract

A method of manufacturing a negative electrode active material for a rechargeable lithium battery according to an embodiment of the present invention includes the steps of: manufacturing a mixture by mixing graphite and pitch; stirring the mixture at 500 to 2200 rpm, grinding graphite and coating pitch on the graphite surface; and carbonizing the pitch-coated graphite. The negative electrode active material for a rechargeable lithium battery has improved efficiency characteristics.

Description

리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지{METHOD FOR MANUFACTURING NEGATIVE ELECTRODE ACTIVE MATERIAL FOR RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY, AND RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY INCLUDING THE SAME}A method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery comprising the same TECHNICAL

리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.A method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery comprising the same.

최근 리튬이차전지는 Tablet PC 및 Smartphone 등의 전자통신기기 분야의 급성장 추세, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 에너지 저장용량의 증대에 대한 연구와 개발의 노력이 점점 구체화되고 있다. 이와 함께 음극재의 충방전 과제에서 발생하는 효율성 증대를 위한 노력도 함께 수반되고 있다. 한편, 최근 들어 출력 특성 및 수명특성이 우수한 인조흑연 음극재의 적용이 증대되고 있는 실정이다. 특히 IT/Mobile시장 및 EV시장에서 인조흑연의 적용 추세는 급격히 증가되고 있다. 현재 개발 및 상용화 되어있는 인조흑연 음극재의 경우, 대부분 침상코크스를 원료로 적용한 것이 대부분이다. 이는 침상코크스를 원료로 하여 제조된 인조흑연 음극재의 경우, 그 용량이 350~360mAh/g 수준이다. 그 효율은 전해질 조건에 따라서 상이하나 일반적으로 92~93%수준에 도달하는 제품들이 대부분이다. Recently, lithium secondary batteries are rapidly evolving in the field of electronic communication devices such as tablet PCs and smartphones, and furthermore, as the field of application of electric vehicles expands, research and development efforts to increase energy storage capacity are gradually becoming concrete. At the same time, efforts are being made to increase the efficiency generated in the charging and discharging tasks of the anode material. Meanwhile, in recent years, the application of artificial graphite negative electrode materials having excellent output characteristics and life characteristics has been increasing. In particular, the trend of application of artificial graphite in the IT/mobile market and EV market is rapidly increasing. In the case of artificial graphite anode materials that are currently developed and commercialized, most of them use needle coke as a raw material. This is in the case of artificial graphite anode material produced using needle coke as a raw material, and has a capacity of 350 to 360 mAh/g. The efficiency varies depending on the electrolyte conditions, but most products generally reach 92 to 93%.

인조흑연 음극재의 경우, 출력특성을 증가시키기 위해서 대부분 표면에 탄소코팅 공정을 적용하고 있다. 일반적으로 Soft carbon을 흑연 표면에 코팅하고 있으며, 이 과정에서 탄소함량이 증가함에 따라 용량 및 효율이 감소하는 경향을 나타내는 것이 일반적이다. 그 이유는 흑연의 용량 대비 코팅물질인 Soft Carbon의 용량 및 효율이 비교적 낮기 때문이다.In the case of the artificial graphite anode material, a carbon coating process is mostly applied to the surface to increase the output characteristics. In general, soft carbon is coated on the graphite surface, and it is common to show a tendency for capacity and efficiency to decrease as the carbon content increases in this process. The reason is that the capacity and efficiency of the coating material Soft Carbon compared to the capacity of graphite is relatively low.

상기의 코팅 공정에 있어 탄소 함유량을 감소시키는 방법으로는 음극재 표면을 매끄럽게 하여 코팅 균일성을 증대시키 거나, 액상코팅 공정을 적용하는 방법 등이 현재 적용되고 있다. 흑연계 음극재 특히, 인조흑연 음극재는 천연흑연에 비해 날카로운 1차입자들이 조립화된 2차입자로 구성되어 있다. 따라서 입자 표면이 매우 거친것을 특징으로 한다. 이러한 음극재 입자 표면을 매끄럽게 하는 공정으로는 고속 blade mill에서 회전시키며 음극재 표면의 각형 부분을 미세 분쇄 시키고 발생되는 미분을 기류분급 과정을 통해 제거시키는 공정이 적용되고 있다. 일반적으로 이러한 공정을 마쇄공정(Particle Grinding)이라고 지칭한다. 이러한 마쇄공정을 거치게 되면 비정질 탄소를 흑연 표면에 코팅함에 있어 그 흑연 입자 표면이 매끄러워 지기 때문에 코팅 균일성이 상대적으로 증가하게 되며, 이로 인해 탄소 코팅량을 감소시킬 수 있는 장점을 가진다. 하지만 상기의 마쇄공정을 거치게 되면서 흑연입자에 미치는 damage가 커지면서 흑연입자의 비표면적이 증가하는 현상과 기류분급으로 흑연 미분이 제거되는 과정을 통해 수율이 감소하는 단점이 지적되고 있다.As a method of reducing the carbon content in the coating process, a method of increasing the coating uniformity by smoothing the surface of the negative electrode material or applying a liquid coating process is currently being applied. Graphite-based anode materials, especially artificial graphite anode materials, are composed of secondary particles in which primary particles that are sharper than natural graphite are assembled. Therefore, it is characterized by a very rough particle surface. As a process for smoothing the surface of the anode material, a process of rotating in a high-speed blade mill, finely pulverizing the angular portion of the surface of the anode material, and removing the generated fine powder through an air flow classification process is applied. In general, this process is called a grinding process (Particle Grinding). When this grinding process is performed, when coating amorphous carbon on a graphite surface, the graphite particle surface becomes smooth, so that the coating uniformity is relatively increased, thereby reducing the carbon coating amount. However, as the damage to the graphite particles increases as it goes through the grinding process, the specific surface area of the graphite particles increases and the disadvantages of decreasing the yield through the process of removing the graphite fine powder by air flow classification are pointed out.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 흑연 음극 표면에 비정질 탄소 및 무기물로 코팅하는 기술이 제안되었다. 하지만 비정질 탄소 전구체로 핏치를 사용하며, 유기용매를 사용하는 액상 코팅 공정을 선택하고 있다. 이러한 액상코팅은 음극재 표면의 탄소코팅 층의 균일성을 확보할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 유기용매를 사용한다는 점에서, 공정비용 증가 및 환경문제 발생 등의 문제점이 있다. 또한 사용하는 소수성 무기물들의 경우, 미코팅된 함량을 제어하기 위해 산 또는 알칼리를 이용한 정제공정이 도입되어야 하는 단점이 있다. 또한, 건식 코팅공정을 적용하는 기술이 알려져 있으나 비교적 다량을 코팅하는 방법을 제시하고 있으며, 효율 특성 개선이 필요하다.In order to solve this problem, a technique for coating amorphous carbon with an inorganic carbon and an inorganic surface has been proposed. However, a pitch is used as an amorphous carbon precursor, and a liquid coating process using an organic solvent is selected. The liquid coating has an advantage in that it is possible to secure the uniformity of the carbon coating layer on the surface of the negative electrode material. However, in that it uses an organic solvent, there are problems such as increase in process cost and occurrence of environmental problems. In addition, in the case of using hydrophobic inorganic materials, there is a disadvantage that a purification process using an acid or an alkali must be introduced to control the uncoated content. Also, although a technique of applying a dry coating process is known, a method for coating a relatively large amount is proposed, and efficiency characteristics need to be improved.

리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다. 구체적으로 효율 특성이 개선된 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.Provided is a method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery comprising the same. Specifically, a method of manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery with improved efficiency characteristics, and a lithium secondary battery comprising the same are provided.

본 발명의 일 구현예에 의한 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법은 흑연과 핏치를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 혼합물을 500 내지 2200rpm으로 교반하여, 흑연의 마쇄 및 흑연 표면에 핏치를 코팅하는 단계; 및 핏치가 코팅된 흑연을 탄화하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a mixture by mixing graphite and pitch; Stirring the mixture at 500 to 2200 rpm, coating the crushed graphite and the pitch on the graphite surface; And carbonizing the pitch-coated graphite.

혼합물을 제조하는 단계에서, 흑연의 D50입경은 10 내지 30㎛일 수 있다.In the step of preparing the mixture, the D50 particle diameter of graphite may be 10 to 30 μm.

혼합물을 제조하는 단계에서, 흑연 100 중량부에 대하여 핏치 1 내지 5 중량부 혼합할 수 있다.In the step of preparing the mixture, 1 to 5 parts by weight of pitch may be mixed with respect to 100 parts by weight of graphite.

혼합물을 제조하는 단계에서, 흑연의 비표면적은 1 내지 4m2/g일 수 있다.In the step of preparing the mixture, the specific surface area of graphite may be 1 to 4 m 2 /g.

흑연의 마쇄 및 흑연 표면에 핏치를 코팅하는 단계는 10분 내지 3시간 동안 수행할 수 있다.The steps of grinding the graphite and coating the pitch on the graphite surface may be performed for 10 minutes to 3 hours.

흑연의 마쇄 및 흑연 표면에 핏치를 코팅하는 단계 이후, 핏치가 코팅된 흑연은 비표면적이 2 내지 3.1m2/g일 수 있다.After the grinding of graphite and the step of coating the pitch on the graphite surface, the graphite coated with the pitch may have a specific surface area of 2 to 3.1 m 2 /g.

흑연의 마쇄 및 흑연 표면에 핏치를 코팅하는 단계 이전의 흑연의 비표면적(A)에 대하여, 흑연의 마쇄 및 흑연 표면에 핏치를 코팅하는 단계 이후, 핏치가 코팅된 흑연의 비표면적(B)의 비율(B/A)이 80% 이하일 수 있다.With respect to the specific surface area (A) of graphite before the step of coating the crushed graphite and the graphite surface, after the step of coating the crushed graphite and the graphite surface with the pitch, the specific surface area of the graphite coated with the pitch (B) The ratio (B/A) may be 80% or less.

탄화하는 단계는 비산화성 분위기에서 700 내지 1300℃의 온도로 탄화할 수 있다.The carbonizing step may be carbonized at a temperature of 700 to 1300°C in a non-oxidizing atmosphere.

본 발명의 일 구현예에 의한 리튬 이차 전지는 양극; 음극; 및 전해질;을 포함하고, 음극은, 전술한 방법으로 제조된 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 포함한다.A lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode; cathode; And an electrolyte, and the negative electrode includes a negative electrode active material for a lithium secondary battery manufactured by the above-described method.

본 발명의 일 구현예에 따른 제조 방법을 통해 제조한 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 마쇄공정 및 코팅 공정을 동시에 수행함으로써, 마쇄공정을 통해 제조되는 흑연입자에 비해 수율이 증가되고, 일반 건식 코팅공정을 통해 제조된 탄소코팅된 흑연입자에 비해 입자표면이 매끄러워 지기 때문에 효율특성이 개선된다.The negative electrode active material for a lithium secondary battery manufactured through the manufacturing method according to an embodiment of the present invention simultaneously performs the grinding process and the coating process, thereby increasing the yield compared to the graphite particles produced through the grinding process and performing a general dry coating process. Compared to the carbon-coated graphite particles produced, the particle surface becomes smoother, so the efficiency characteristics are improved.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2는 실시예 1에서 탄화 단계 이후, 입자의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 실시예 2에서 탄화 단계 이후, 입자의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 4는 실시예 3에서 탄화 단계 이후, 입자의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 5는 비교예 1에서 흑연 입자의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 비교예 2에서 탄화 단계 이후, 입자의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
1 is a schematic flowchart of a method of manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of particles after the carbonization step in Example 1.
3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of particles after the carbonization step in Example 2.
4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of particles after the carbonization step in Example 3.
5 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of graphite particles in Comparative Example 1.
6 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of particles after the carbonization step in Comparative Example 2.

제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.Terms such as first, second and third are used to describe various parts, components, regions, layers and/or sections, but are not limited thereto. These terms are only used to distinguish one part, component, region, layer or section from another part, component, region, layer or section. Accordingly, a first portion, component, region, layer or section described below may be referred to as a second portion, component, region, layer or section without departing from the scope of the present invention.

여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is only to refer to a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular forms used herein also include plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. As used herein, the meaning of “comprising” embodies a particular property, region, integer, step, action, element, and/or component, and the presence or presence of other properties, regions, integers, steps, action, element, and/or component. It does not exclude addition.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Although not defined differently, all terms including technical terms and scientific terms used herein have the same meaning as those generally understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. Commonly used dictionary-defined terms are further interpreted as having meanings consistent with related technical documents and currently disclosed contents, and are not interpreted as ideal or very formal meanings unless defined.

아울러, 본 명세서에서 D50 입경은 다양한 입자 크기가 분포되어 있는 입자를 부피비로 50%까지 입자를 누적시켰을 때의 입자 크기를 의미한다.In addition, in the present specification, the D50 particle size means a particle size when particles having various particle sizes are accumulated up to 50% by volume.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention pertains can easily practice. However, the present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법의 순서도는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법을 다양하게 변형할 수 있다.1 schematically shows a flowchart of a method of manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention. The flow chart of the method of manufacturing the negative electrode active material for a lithium secondary battery of FIG. 1 is merely for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, a method of manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery can be variously modified.

도 1에 도시한 바와 같이, 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법은 흑연과 핏치를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계(S10); 혼합물을 500 내지 2200rpm으로 교반하여, 흑연의 마쇄 및 흑연 표면에 핏치를 코팅하는 단계(S20); 및 핏치가 코팅된 흑연을 탄화하는 단계(S30)를 포함한다. 이외에, 필요에 따라 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.As shown in Figure 1, a method of manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery comprises the steps of preparing a mixture by mixing graphite and pitch (S10); Stirring the mixture at 500 to 2200 rpm, coating the pitch on the graphite ground and the graphite surface (S20); And carbonizing the pitch-coated graphite (S30). In addition, if necessary, a method of manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery may further include other steps.

먼저, 단계(S10)에서는 흑연과 핏치를 혼합하여 혼합물을 제조한다. First, in step (S10), a mixture is prepared by mixing graphite and pitch.

본 발명의 일 실시예에서 흑연은 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로 흑연은 천연 흑연 또는 인조 흑연을 사용할 수 있다. 더욱 구체적으로 코크스를 원료로 하여 조립화 및 흑연화를 거친 인조흑연을 사용할 수 있다.In one embodiment of the present invention, graphite may be used without particular limitation. Specifically, natural graphite or artificial graphite may be used as the graphite. More specifically, artificial graphite subjected to granulation and graphitization using coke as a raw material may be used.

흑연의 D50입경은 10 내지 30㎛일 수 있다. 적절한 D50 입경의 흑연을 사용할 시, 효율 특성이 더욱 향상될 수 있다.The D50 particle diameter of graphite may be 10 to 30 μm. When using graphite having an appropriate D50 particle size, efficiency characteristics may be further improved.

혼합물을 제조하는 단계에서, 흑연 100 중량부에 대하여 핏치 1 내지 5 중량부 혼합할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 마쇄와 함께 핏치를 코팅하기 때문에, 적은 양의 핏치를 코팅하더라도 흑연의 비표면적을 효율적으로 감소시킬 수 있다.In the step of preparing the mixture, 1 to 5 parts by weight of pitch may be mixed with respect to 100 parts by weight of graphite. In one embodiment of the present invention, since the pitch is coated together with the grinding, even if a small amount of the pitch is coated, the specific surface area of graphite can be effectively reduced.

혼합물을 제조하는 단계에서 흑연의 비표면적은 1 내지 4m2/g일 수 있다. 더욱 구체적으로 1.5 내지 3.5 m2/g일 수 있다. 더욱 구체적으로 3 내지 3.5 m2/g일 수 있다.In preparing the mixture, the specific surface area of graphite may be 1 to 4 m 2 /g. More specifically, it may be 1.5 to 3.5 m 2 /g. More specifically, it may be 3 to 3.5 m 2 /g.

다음으로, 단계(S20)에서는 혼합물을 500 내지 2200rpm으로 교반하여, 흑연의 마쇄 및 흑연 표면에 핏치를 코팅한다.Next, in step (S20), the mixture is stirred at 500 to 2200 rpm, to coat the grinding of graphite and the pitch on the graphite surface.

단계(S20)에서는 흑연의 마쇄와 흑연 표면에 핏치가 코팅되는 현상이 동시에 일어나게 된다. 구체적으로 단계(S20)에서는 적절한 속도에서 blade mill 형태의 코팅 설비를 운전함으로써, 흑연의 마쇄와 동시에 흑연 표면에 핏치를 코팅할 수 있다.In step (S20), the phenomenon of the grinding of graphite and the coating of the pitch on the graphite surface occurs simultaneously. Specifically, in step (S20), by operating the coating equipment in the form of a blade mill at an appropriate speed, it is possible to coat the pitch on the graphite surface at the same time as grinding the graphite.

마쇄란 흑연 입자를 매끄럽게 하는 공정으로서, 흑연 입자의 각형 부분을 미세 분쇄시키는 것을 의미한다. 일반적인 마쇄 공정의 경우, 마쇄공정에서 발생하는 미분을 기류분급 과정을 통해 제거하나, 본 발명의 일 실시예에서는 마쇄와 함께 흑연 표면에 핏치를 코팅하므로, 별도로 미분을 제거할 필요가 없다. 따라서, 마쇄에 의해 수율이 감소되는 것을 방지할 수 있다.Grinding is a process of smoothing graphite particles, and means pulverizing the square portion of the graphite particles. In the case of a general grinding process, the fine powder generated in the grinding process is removed through an air flow classification process, but in one embodiment of the present invention, since the pitch is coated on the graphite surface together with the grinding, there is no need to remove the fine powder separately. Therefore, it is possible to prevent the yield from being reduced by grinding.

흑연의 마쇄 및 흑연 표면에 핏치를 코팅할 시, 혼합물을 500 내지 2200rpm으로 교반할 수 있다. 교반 속도가 너무 작을 시, 코팅이 균일하게 이루어 지지 않고, 마쇄도 적절히 이루어 지지 않을 수 있다. 교반 속도가 너무 빠를 시, 흑연 입자에 미치는 충격이 커서, 오히려 흑연 입자의 비표면적이 늘어나는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 전술한 범위의 속도로 교반할 수 있다. 더욱 구체적으로 혼합물을 1000 내지 2200rpm으로 교반할 수 있다. 더욱 구체적으로 1300 내지 2200rpm으로 교반할 수 있다. 더욱 구체적으로 1800 내지 2100rpm으로 교반할 수 있다.When coating the pitch on the grinding surface of graphite and the graphite surface, the mixture can be stirred at 500 to 2200 rpm. When the stirring speed is too small, the coating may not be made uniformly, and grinding may not be performed properly. When the stirring speed is too fast, the impact on the graphite particles is large, and rather, the specific surface area of the graphite particles may increase. Therefore, it is possible to stir at the speed in the above-mentioned range. More specifically, the mixture may be stirred at 1000 to 2200 rpm. More specifically, it can be stirred at 1300 to 2200rpm. More specifically, it can be stirred at 1800 to 2100rpm.

단계(S20)은 10분 내지 3시간 동안 수행할 수 있다. 시간이 너무 짧으면, 마쇄 및 코팅이 적절히 이루어지지 않을 수 있다. 시간이 더 길더라도 보다 균일한 코팅을 기대할 수 없으며, 오히려 흑연에 가해지는 충격이 누적되어, 흑연 입자의 비표면적이 늘어나는 현상이 발생할 수 있다. 더욱 구체적으로 단계(S20)은 30분 내지 2시간 동안 수행할 수 있다.Step S20 may be performed for 10 minutes to 3 hours. If the time is too short, grinding and coating may not be performed properly. Even if the time is longer, a more uniform coating cannot be expected, but rather, an impact applied to graphite accumulates and a specific surface area of graphite particles may increase. More specifically, step S20 may be performed for 30 minutes to 2 hours.

흑연의 마쇄 및 흑연 표면에 핏치를 코팅하는 단계 이후, 핏치가 코팅된 흑연은 비표면적이 2 내지 3.1m2/g일 수 있다. 이처럼 마쇄 및 코팅을 통해 흑연의 비표면적이 줄어들어, 효율 특성이 개선될 수 있다. 더욱 구체적으로 핏치가 코팅된 흑연은 비표면적이 2.2 내지 3.0m2/g일 수 있다. 더욱 구체적으로 핏치가 코팅된 흑연은 비표면적이 2.4 내지 2.8m2/g일 수 있다. 더욱 구체적으로 핏치가 코팅된 흑연은 비표면적이 2.5 내지 2.7m2/g일 수 있다.After the grinding of graphite and the step of coating the pitch on the graphite surface, the graphite coated with the pitch may have a specific surface area of 2 to 3.1 m 2 /g. As such, the specific surface area of graphite is reduced through grinding and coating, so that efficiency characteristics can be improved. More specifically, the pitch-coated graphite may have a specific surface area of 2.2 to 3.0 m 2 /g. More specifically, the pitch-coated graphite may have a specific surface area of 2.4 to 2.8 m 2 /g. More specifically, the pitch-coated graphite may have a specific surface area of 2.5 to 2.7 m 2 /g.

흑연의 마쇄 및 흑연 표면에 핏치를 코팅하는 단계 이전의 흑연의 비표면적(A)에 대하여, 흑연의 마쇄 및 흑연 표면에 핏치를 코팅하는 단계 이후, 핏치가 코팅된 흑연의 비표면적(B)의 비율(B/A)이 80% 이하일 수 있다.With respect to the specific surface area (A) of graphite before the step of coating the crushed graphite and the graphite surface, after the step of coating the crushed graphite and the graphite surface with the pitch, the specific surface area of the graphite coated with the pitch (B) The ratio (B/A) may be 80% or less.

다음으로, 단계(S30)에서는 핏치가 코팅된 흑연을 탄화한다.Next, in step S30, the pitch-coated graphite is carbonized.

본 발명의 일 실시예에서 탄화 공정은 휘발분을 제거하고, 열분해, 고화 및 탄소질로의 전환을 유도한다. 탄화하는 단계는 700 내지 1300℃의 온도에서 수행할 수 있다. 분위기 가스는 비산화 가스를 사용할 수 있으며, 질소 또는 아르곤 분위기에서 수행할 수 있다. 탄화하는 단계는 30 분 내지 5 시간 동안 수행할 수 있다. 더욱 구체적으로 1200 내지 1300℃일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbonization process removes volatiles and induces pyrolysis, solidification and conversion to carbonaceous material. The carbonization step may be performed at a temperature of 700 to 1300°C. The atmosphere gas may be a non-oxidizing gas, and may be performed in a nitrogen or argon atmosphere. The carbonizing step may be performed for 30 minutes to 5 hours. More specifically, it may be 1200 to 1300 ℃.

본 발명의 일 실시예를 통해 제조된 리튬 이차 전지용 음극 활물질은 비표면적이 작아, 방전용량 및 초기 충방존 효율이 우수하다. 또한, 3C/0.1C 방전용량 비율도 우수하다. 구체적으로 방전용량이 351mAh/g이상일 수 있다. 초기 충방전 효율은 91.1% 이상일 수 있다. 3C/0.1C 방전용량 비율은 81% 이상일 수 있다.The negative electrode active material for a lithium secondary battery manufactured through an embodiment of the present invention has a small specific surface area, and thus has excellent discharge capacity and initial charge/discharge efficiency. In addition, the 3C/0.1C discharge capacity ratio is also excellent. Specifically, the discharge capacity may be 351mAh/g or more. The initial charge/discharge efficiency may be 91.1% or more. The 3C/0.1C discharge capacity ratio may be 81% or more.

본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 양극; 음극; 및 전해질;을 포함하고, 상기 음극은 전술한 방법으로 제조된 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.In another embodiment of the present invention, the anode; cathode; And an electrolyte, wherein the negative electrode provides a lithium secondary battery including a negative electrode active material prepared by the above-described method.

구체적으로, 전해질은, 플루오로 에틸렌 카보네이트(fluoro ethylene carbonate, FEC), 비닐렌 카보네이트 (vinylene carbonate, VC), 에틸렌 술포네이트 (ethylene sulfonate, ES), 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 전해질 첨가제를 더 포함하는 것일 수 있다.Specifically, the electrolyte is at least one selected from the group containing fluoro ethylene carbonate (fluoro ethylene carbonate, FEC), vinylene carbonate (VC), ethylene sulfonate (ES), and combinations thereof It may be to further include the above electrolyte additives.

음극 활물질 및 그에 따른 리튬 이차 전지의 특성은 전술한 바와 같다. 또한, 음극 활물질을 제외한 나머지 전지 구성은 일반적으로 알려진 바와 같다. 따라서, 자세한 설명은 생략하기로 한다.The negative electrode active material and thus the characteristics of the lithium secondary battery are as described above. In addition, the battery configuration other than the negative electrode active material is generally known. Therefore, detailed description will be omitted.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예, 이에 대비되는 비교예 및 이들의 평가예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples of the present invention, comparative examples prepared against the same, and evaluation examples thereof will be described. However, the following examples are only preferred examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실시예 1Example 1

인조 흑연으로서, 353mAh/g, 입도 (d50) 15㎛인 인조 흑연을 준비하였다. 비표면적(BET)는 3.3m2/g이었다.As artificial graphite, artificial graphite having a particle size of 353 mAh/g and a particle size (d50) of 15 µm was prepared. The specific surface area (BET) was 3.3 m 2 /g.

인조흑연와 석유계 핏치 (ZL 250)의 중량비 100:3의 조건으로 Roll Mill을 이용하여 30분 동안 혼합하였다.Artificial graphite and petroleum-based pitch (ZL 250) were mixed for 30 minutes using a roll mill under a weight ratio of 100:3.

혼합물을 코팅설비 (Mechano Fusion, 호소카와社)에 투입후 1시간 동안 일정 속도로 운전하였다. 운전 속도를 하기 표 1에 정리한 속도로 변경하며, 마쇄 및 코팅을 실시하였다. 마쇄 및 코팅 실시 이후 비표면적을 하기 표 1에 정리하였다.The mixture was put into a coating facility (Mechano Fusion, Hosokawa Co.) and operated at a constant speed for 1 hour. The driving speed was changed to the speed summarized in Table 1 below, and grinding and coating were performed. The specific surface area after grinding and coating was summarized in Table 1 below.

이후, 분체를 질소 분위기에서 1000℃로 1시간 유지하여 탄화하였다.Then, the powder was carbonized by maintaining it at 1000°C for 1 hour in a nitrogen atmosphere.

실시예 2Example 2

실시예 1과 동일하게 실시하되, 운전 속도를 하기 표 1에 정리한 속도로 변경하여 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out, but the operation speed was changed to the speed summarized in Table 1 below.

실시예 3Example 3

실시예 1과 동일하게 실시하되, 운전 속도를 하기 표 1에 정리한 속도로 변경하여 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out, but the operation speed was changed to the speed summarized in Table 1 below.

비교예 1Comparative Example 1

실시예 1과 동일하게 실시하되, 핏치와의 혼합을 하지 아니하고, 탄화하였다.Carbonization was carried out in the same manner as in Example 1, without mixing with the pitch.

비교예 2Comparative Example 2

실시예 1과 동일하게 실시하되, 운전 속도를 하기 표 1에 정리한 2300rpm으로 속도로 변경하여 실시하였다.It was carried out in the same manner as in Example 1, but was carried out by changing the operating speed to 2300 rpm, summarized in Table 1 below.

흑연 : 핏치 중량 비율Graphite: Pitch weight ratio 코팅 속도(RPM)Coating speed (RPM) 비표면적
(m2/g)
Specific surface area
(m 2 /g)
실시예 1Example 1 100 : 3100: 3 10001000 3.03.0 실시예 2Example 2 100 : 3100: 3 15001500 2.82.8 실시예 3Example 3 100 : 3100: 3 20002000 2.62.6 비교예 1Comparative Example 1 100 : 0100: 0 -- 3.33.3 비교예 2Comparative Example 2 100 : 3100: 3 23002300 3.53.5

실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 마쇄 및 코팅 단계 이후, 입자의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 나타내었다. 실시예 1 내지 3은 비교예에 비해 표면이 매끄러움을 확인할 수 있다. 실시예 1 내지 3 중에서도 실시예 3이 가장 매끄러운 표면이 형성됨을 확인할 수 있다. 비교예2의 경우, 2000rpm 초과의 조건, 즉 2300rpm에서 구동한 경우, 입자가 매끄러워지는 경향은 증가하나 입자 표면에 작은 돌기형상의 조직들이 증가하면서 BET가 증가하는 경향이 관찰되었다. 이는 과도한 코팅속도 조건에서는 흑연입자의 damage가 오히려 증가함에 기인되는 것으로 판단된다. After the grinding and coating steps in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, scanning electron microscopy (SEM) pictures of particles are shown. Examples 1 to 3 can be confirmed that the surface is smooth compared to the comparative example. Among Examples 1 to 3, it can be seen that Example 3 formed the smoothest surface. In the case of Comparative Example 2, when it was operated at a condition of more than 2000 rpm, that is, 2300 rpm, the tendency for the particles to become smooth increased, but the tendency for BET to increase as small protrusions on the particle surface increased. This is considered to be due to the fact that the damage of graphite particles increases rather than under excessive coating speed conditions.

실험예 - 리튬 이차 전지(Half-cell)의 제작 및 초기 방전용량, 효율 측정Experimental Example-Fabrication of lithium secondary battery (Half-cell) and initial discharge capacity and efficiency measurement

실시예 1 내지 3 및 비교예에서 제조한 음극 활물질과, 바인더(Carboxy Methyl Cellulose(CMC) 및 Styrene Butadiene Rubber(SBR)), 및 도전재(Denka Black)를 사용하여 전극을 제조하였다. 음극 활물질 : 도전재 : CMC : SBR의 중량 비율은 95.6:1:1.1:2.3이 되도록 혼합하였다.Electrodes were prepared using the negative electrode active materials prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples, a binder (Carboxy Methyl Cellulose (CMC) and Styrene Butadiene Rubber (SBR)), and a conductive material (Denka Black). The negative electrode active material: conductive material: CMC: SBR was mixed so that the weight ratio was 95.6:1:1.1:2.3.

전극 Loading양을 10g/㎠, 전극밀도가 1.6g/cc를 가지도록 Cu 집전체 위에 코팅을 실시한 후 압연을 하였으며, CR2032 type의 coin half cell을 제조하였다.After coating the Cu current collector so that the electrode loading amount was 10 g/cm 2 and the electrode density was 1.6 g/cc, it was rolled, and a CR2032 type coin half cell was prepared.

전해액은 첨가제로 VC(Vinyl Carbonate)가 0.5wt% 혼합되어 있는 EC : EMC = 1: 1 (1.0M LiPF6)의 조성품을 사용하였다.As the electrolyte, a composition product of EC: EMC = 1: 1 (1.0M LiPF6) in which VC (Vinyl Carbonate) was mixed at 0.5 wt% was used.

음극에 대한 평가를 위한 양극으로는 Li Metal을 사용하였다.Li Metal was used as the anode for the evaluation of the cathode.

0.1C, 5mV, 0.005C cut-off 충전 및 0.1C 1.5V cut-off 방전의 초기 활성화(Activation) 조건에서 3회 진행하고, 활성화 진행후 0.1C, 5mV, 0.005C cut-off 충전 및 0.1C, 1.5V cut-off 방전 조건으로 고출력 조건에서의 충방전 용량을 측정하였다. 이와 같이 충-방전 시 전류는 초기 3 사이클에서는 0.1C로, 이후의 4번째 사이클에서는 3C 로 용량을 측정하였다.0.1C, 5mV, 0.005C cut-off charging and 0.1C 1.5V cut-off discharge proceeds three times under the initial activation (Activation) conditions, and after activation, 0.1C, 5mV, 0.005C cut-off charging and 0.1C , 1.5V cut-off discharge conditions were measured for charging and discharging capacity under high power conditions. As described above, the current during charging and discharging was measured at 0.1C in the initial 3 cycles and 3C in the subsequent 4th cycle.

상기의 조건 하에서 진행된 방전 용량, 초기 방전 및 효율 그리고 초기의 0.1C에서의 방전용량 대비 3C에서의 방전용량의 비율을 정리하면 하기 표 2와 같다.Discharge capacity under the above conditions, initial discharge and efficiency, and the ratio of the discharge capacity at 3C to the initial discharge capacity at 0.1C are summarized in Table 2 below.

방전용량(mAh/g)Discharge capacity (mAh/g) 초기 충방전 효율(%)Initial charge/discharge efficiency (%) 3C/0.1C 방전용량
비율(%)
3C/0.1C discharge capacity
ratio(%)
실시예 1Example 1 353353 91.291.2 8181 실시예 2Example 2 351351 91.891.8 8383 실시예 3Example 3 352352 93.493.4 8888 비교예 1Comparative Example 1 351.6351.6 91.091.0 8080 비교예 2Comparative Example 2 351.1351.1 90.890.8 8585

표 2에서 확인할 수 있듯이, 실시예 1 내지 3이 비교예 1에 비해 방전용량은 유사한 수준을 유지하면서 초기 효율 특성이 개선됨을 확인할 수 있다. 또한 출력 특성을 나타내는 지표인 3C/0.1C의 비율을 보면 비표면적이 가장 감소되며 표면이 가장 매끈하게 제어된 실시예 3의 경우 가장 우수한 출력특성을 나타냄을 확인 할 수 있다.또한, 비교예 2의 경우, 방전 용량과 3C/0.1C의 비율은 실시예와 유사하나, 초기 효율 특성이 현저히 열화되는 것을 확인할 수 있다.As can be seen in Table 2, it can be seen that Examples 1 to 3 have improved discharge efficiency compared to Comparative Example 1 while maintaining a similar level. In addition, when looking at the ratio of 3C/0.1C, which is an index indicating the output characteristics, it can be confirmed that the specific surface area is the most reduced and the best output characteristics are obtained in the case of Example 3 in which the surface is smoothly controlled. In the case of, the discharge capacity and the ratio of 3C/0.1C are similar to the examples, but it can be confirmed that the initial efficiency characteristics are significantly deteriorated.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The present invention is not limited to the above embodiments, but may be manufactured in various different forms, and those skilled in the art to which the present invention pertains have other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It will be understood that can be carried out. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (9)

흑연과 핏치를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
상기 혼합물을 500 내지 2200rpm으로 교반하여, 흑연의 마쇄 및 흑연 표면에 핏치를 코팅하는 단계; 및
핏치가 코팅된 흑연을 탄화하는 단계를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
Preparing a mixture by mixing graphite and pitch;
Agitating the mixture at 500 to 2200 rpm, coating the crushed graphite and the pitch on the graphite surface; And
Method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery comprising the step of carbonizing the pitch-coated graphite.
제1항에 있어서,
상기 혼합물을 제조하는 단계에서, 흑연의 D50입경은 10 내지 30㎛인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
According to claim 1,
In the step of manufacturing the mixture, the D50 particle size of graphite is 10 to 30㎛ method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 혼합물을 제조하는 단계에서, 흑연 100 중량부에 대하여 핏치 1 내지 5 중량부 혼합하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
According to claim 1,
In the step of preparing the mixture, a method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery, mixing 1 to 5 parts by weight of pitch with respect to 100 parts by weight of graphite.
제1항에 있어서,
상기 혼합물을 제조하는 단계에서, 흑연의 비표면적은 1 내지 4m2/g인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
According to claim 1,
In the step of preparing the mixture, the specific surface area of graphite is 1 to 4 m 2 /g method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 흑연의 마쇄 및 흑연 표면에 핏치를 코팅하는 단계는 10분 내지 3시간 동안 수행하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
According to claim 1,
The method of manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery is performed for 10 minutes to 3 hours in the step of coating the crushed graphite and the pitch on the graphite surface.
제1항에 있어서,
상기 흑연의 마쇄 및 흑연 표면에 핏치를 코팅하는 단계 이후, 핏치가 코팅된 흑연은 비표면적이 2 내지 3.1m2/g인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
According to claim 1,
After the step of coating the crushed graphite and the graphite surface, the pitch-coated graphite has a specific surface area of 2 to 3.1 m 2 /g.
제1항에 있어서,
상기 흑연의 마쇄 및 흑연 표면에 핏치를 코팅하는 단계 이전의 흑연의 비표면적에 대하여,
상기 흑연의 마쇄 및 흑연 표면에 핏치를 코팅하는 단계 이후, 핏치가 코팅된 흑연의 비표면적의 비율이 80% 이하인 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
According to claim 1,
With respect to the specific surface area of graphite before the step of coating the crushed graphite and the pitch on the graphite surface,
After the step of coating the crushed graphite and the graphite surface, the ratio of the specific surface area of the graphite coated with the pitch is 80% or less.
제1항에 있어서,
상기 탄화하는 단계는 비산화성 분위기에서 700 내지 1300℃의 온도로 탄화하는 리튬 이차 전지용 음극 활물질의 제조 방법.
According to claim 1,
The carbonizing step is a method of manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery carbonized at a temperature of 700 to 1300°C in a non-oxidizing atmosphere.
양극; 음극; 및 전해질;을 포함하고,
상기 음극은, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 리튬 이차 전지용 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지.
anode; cathode; And an electrolyte;
The negative electrode is a lithium secondary battery comprising a negative electrode active material for a lithium secondary battery produced by the method according to any one of claims 1 to 8.
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